JP2019503514A - 埋込み反射型の接眼レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】反射型の接眼レンズを提供する。【解決手段】反射型のコリメート接眼レンズは、凹面１４およびこの凹面１４と反対側にある凸１６面を有する光学レンズ１２と、凸面１６におけるビームスプリッタ反射コーティング１８と、光学レンズ１２における円偏光反射体２４であって、円偏光光源３２からの円偏光２０が、ビームスプリッタ反射コーティング１８で屈折されて円偏光反射体２４で反射された後、円偏光反射体２４を通過することになる逆の円偏光のビーム２６を形成するように、ビームスプリッタ反射コーティング１８で反射され、これにより、円偏光光源３２の画像をコリメート及び拡大する円偏光反射体２４とを備える。【選択図】図１

Description

関連出願

本願は、2016年2月1日付出願の米国仮特許出願第62/289,408号の利益を主張する。この仮特許出願の全教示内容は、参照をもって本明細書に取り入れたものとする。

幾つかの種類の光学コリメート装置が存在しているが、いずれもコリメート精度並びにしばしばサイズ及び重量に限界がある。既知の光学コリメート装置の例は、複数のコレステリック液晶フィルムの組合せを用いた光学フィルタリングシステムを開示する特許文献１、凸面にコリメート用マークが付されて平面の中央部分に反射コーティングが塗布されている単一の平面凸レンズを用いた装置を開示する特許文献２、および異なる波長にチューニングされる複数のコレステリックエレメントを用いて製造された多色表示システムを教示する特許文献３に教示されているもの等を含む。

これらの他にも、コレステリック液晶を用いた平面平行光学コリメート装置に関するHoppe, Michael J.による特許文献４、および小型コリメート装置に関するHoppe, Michael J.による特許文献５を含む２つの特許文献がある。

米国特許第３６７９２９０号明細書 米国特許第４７０４０１０号明細書 米国特許第５０５０９６６号明細書 米国特許第５７１５０２３号明細書 欧州特許出願公開第１０２４３８８号明細書

したがって、前述した課題を解決及び最小限に抑える反射型接眼レンズが所望される。

本発明は、概して、反射型のコリメート接眼レンズ（reflective collimating eyepiece）、および拡大された画像を形成する方法に関する。

一実施形態では、本発明にかかる反射型コリメート接眼レンズが、凹面および前記凹面と反対側にある凸面を有する光学レンズを備える。前記凸面には、ビームスプリッタ反射コーティングがある。前記凹面には、円偏光反射体の表面がある。円偏光光源からの円偏光は、前記ビームスプリッタ反射コーティングで屈折されて前記円偏光反射体の表面で反射された後、前記円偏光反射体を透過することになる逆の円偏光のビームを形成するように、前記ビームスプリッタ反射コーティングで反射され、前記光学レンズの前記凸面での屈折と前記凹面での反射との組合せにより、表示源の画像をコリメート及び拡大する。

他の実施形態では、前記反射型のコリメート接眼レンズが、さらに、前記ビームスプリッタ反射コーティングに対向する表示源（例えば、円偏光光源（円偏光の光源）等）を備え、当該表示源が、主に円偏光である光を前記ビームスプリッタ反射コーティングに向けて送り出す。

他の実施形態では、前記接眼レンズが第１の部片および第２の部片を含み、当該第１の部片と当該第２の部片の間に１／４波長板が存在する。

さらなる他の実施形態において、本発明は、拡大された画像を形成する方法であって、円偏光光源から円偏光を放射する過程と、前記円偏光を、ビームスプリッタ反射コーティングの凸面にわたって、かつ、光学レンズにわたって、少なくとも部分的に屈折させる過程と、屈折された前記円偏光の大部分を、前記光学レンズの凹状の円偏光反射体の表面で内面反射させる過程とを備える方法である。反射された当該円偏光の少なくとも一部は、前記凸面での前記ビームスプリッタ反射コーティングで内面反射される。これによって前記円偏光とは逆の円偏光のビームが形成されて、そのため、逆の円偏光の当該ビームが前記円偏光反射体の表面を通過（透過）させられる。前記光学レンズの前記凸面での屈折と前記凹面での反射との組合せにより、前記円偏光光源の画像をコリメート及び拡大する。

この埋込み反射型の接眼レンズおよびこの接眼レンズの使用方法の利点は、一部の実施形態での単一のモノリシックな（一体構造の）レンズ素子の使用を含む。また、製造コストが、埋込み反射型接眼レンズにおいて典型的に可能なものよりも抑えられる。コストが抑えられるのは、(i)多数の素子からなる屈折型接眼レンズに比べて単一の素子であること、(ii)安価である、単一成形品であるレンズ素子又は二つの成形品であるレンズ素子であること、および(iii)ＣＬＣ又はワイヤグリッドよりも遥かに安価となり得る反射膜偏光技術であることによる。

また、本発明での反射型接眼レンズのフォームファクタは小さい。この場合の「小さい」とは、屈折型の接眼レンズ設計に比べてより短い、折返し型の光学接眼レンズ形態であることに主に起因している。本発明は、さらに、モノリシックな接眼レンズ素子形態であるため、これに接合された部材同士が相対的に動かないようになっているという点で安定している。複数のガラス製素子を用いると組立時に追加のアライメントが必要となるのに対し、本発明にかかる反射型接眼レンズの製造は、光学系を単一物として成形することが可能になり得ると想定されるので、当該技術分野における典型的なものよりも簡単になる。表示（ビュー）／画像がディスプレイ（表示部）に対して主に直交するため、像面への入射角度が小さくなる。また、円偏光反射体の１／４波長板が、分割（すなわち、ダブレット（複））レンズ素子構造内部に埋められることが可能である。当該１／４波長板は、モノリシックなガラス製素子内に接合される扁平な部品として採用されることが可能である。これは、湾曲状の波長板が完璧ではなく、このように接合されることで接合界面からの反射が極めて小さくなるので重要である。

本発明の一改良点は、２つの別体のシェル状光学素子を、モノリシックな単一で厚みのあるシェル状光学素子を用いてモノリシックに埋め込んだ点である。このアプローチによって、より広い視野を可能にする性能が向上し、かつ、視覚解像度が向上する。

本発明の包括的な反射型の接眼レンズアプローチは、光学素子で折り返すことにより、光が一方向にのみ通過して面屈折のみで結像させる標準的な屈折型接眼レンズに比べて短い光路を提供する。反射型の接眼レンズでは、結像が反射によっても生じるので、光学素子内での色収差が生じにくくなる。湾曲状の反射偏光素子が、埋込みの／モノリシックな光学効果（オプティカル）を伴うことにより、接眼レンズの全体性能が向上している。

本特許又は特許出願包袋は、少なくとも１つのカラー図面を含む。カラー図面付きの本特許又は特許出願公開公報のコピーは、特許庁に要求すれば有料で入手することができる。

本発明にかかる反射型のコリメート接眼レンズの一実施形態を示す概略図である。 本発明にかかる反射型のコリメート接眼レンズの他の実施形態を示す概略図である。 接眼レンズが複レンズ（ダブレットレンズ）である他の実施形態を示す概略図である。 接眼レンズが複レンズである他の実施形態を示す概略図である。

図面を通して、同じ符号は同じ構成／構成要素を表す。

本発明は、一般的に、反射型のコリメート接眼レンズ、ならびに拡大及びコリメートされた画像を形成する方法に関する。「埋込み」とは、２つの外表面に、埋め込まれているか又は組み込まれている反射素子を伴う光学設計の単一のモノリシックなレンズの特徴のことを指す。

図１に示す本発明の一実施形態では、反射型のコリメート接眼レンズ１０が、光学レンズ１２を備える。光学レンズ１２は、凹面１４、およびこの凹面１４と反対側にある凸面１６を画定している。ビームスプリッタ反射コーティング１８が、凸面１６にある。一般的に、これは、おおよそ５０：５０のコーティング性能を有する誘電体コーティングである。５０：５０は、当該ビームスプリッタコーティングでの反射光と透過光との比率、すなわち、分割比のことを指す。これ以外の比率、すなわち反射分割も可能である。コーティングは、透過（通過）及び反射された偏光のその偏光状態を維持するように設計されている。また、コーティングは、部分反射金属コーティングであってもよい。

円偏光反射体２４が、凹面１４にある。円偏光反射体２４を作製するのに適した材料の例としては、液晶形態、１／４波長板を組み合わせたワイヤグリッド偏光子、および直線偏光反射体を組み合わせた１／４波長板など、当該技術分野で知られているものが挙げられる。一実施形態では、前記液晶形態が、コレステリック液晶（ＣＬＣ）であることが可能である。ＣＬＣとは、一方向の偏光のみを反射／透過するモノリシックな円偏光フィルムである。他の実施形態では、円偏光透過体／反射体が、１／４波長板素子を組み合わせた直線偏光反射体を含む。特定の一実施形態では、前記直線偏光反射体が、例えばワイヤグリッド偏光子であることが可能である。前記１／４波長板は典型的に、フィルムベースの複屈折膜とされるが、例えば結晶性波長板とされてもよい。

この実施形態では、前記ビームスプリッタコーティングで屈折透過／反射された円偏光が、まず前記１／４波長板により、反射偏光フィルムで反射されることになる偏光方位を持つ直線偏光に変換される。その反射偏光フィルムで反射した当該直線偏光は、前記１／４波長板を反対方向に透過する円偏光に再変換される。円偏光光源３２からの円偏光２０は、ビームスプリッタ反射コーティング１８で屈折されてから円偏光反射体２４で反射される。そして円偏光２０は、ビームスプリッタ反射コーティング１８で反射されて、逆の円偏光のビーム２６を形成し、この逆の円偏光のビーム２６が円偏光反射体２４の表面を透過する。これにより、直線偏光フィルタと１／４波長板とが使用されている場合には、直線偏光２８が形成される。代わりに、ＣＬＣ層が使用されている場合には、円偏光が透過される。凹面１４から直線偏光が放出される場合には、板２５が吸収直線偏光体とされる。他方で、凹面１４から円偏光が放出される場合には、板２５が１／４波長板とされる。光学レンズ１２の凸面１６での屈折と凹面１４での反射の組合せが、円偏光光源３２の画像をコリメート及び拡大する。

一実施形態では、反射型接眼レンズ１０が、ビームスプリッタ反射コーティング１８に対向する円偏光光源３２を備える。円偏光光源３２が、主に円偏光２０である光をビームスプリッタ反射コーティング１８に向けて送り出す。一実施形態では、円偏光光源が、非偏光光源３２と、非偏光光源３２とビームスプリッタ反射コーティング１８の間の偏光フィルタ３４とを含む。この実施形態では、偏光フィルタ３４が、例えば、円偏光子、または偏光フィルムが組み合わされた１／４波長板であることができる。この偏光フィルタ３４は、ビームスプリッタ反射コーティング１８と非偏光光源３２との間に配置される。そこで、非偏光光源３２により放射された非偏光が偏光される。そのため、円偏光光源３２からの光が円偏光になったものをビームスプリッタ反射コーティング１８が受ける。偏光フィルタ３４は、非偏光をフィルタリングして円偏光出力を生成するフィルムであれば、いかなるものであってもよい。このようなフィルムとして、吸収偏光フィルムと１／４波長複屈折膜を組み合わせたフィルムが挙げられる。偏光フィルタ３４は、最初に前記光をフィルタリングして直線偏光にしてから、この直線偏光を、適切に方向付けられた１／４波長フィルムで円偏光に変換する。

図２は、本発明にかかる方法の一実施形態を示す概略図である。図２に示すように、当該方法は、円偏光表示源（円偏光の表示源）４２から円偏光４０を放射する過程を備える。表示源４２は典型的に、非偏光光源３９、直線偏光フィルタ４１および１／４波長板４３を含む。直線偏光子と１／４波長フィルムとの適切な方向付けの組合せは、円偏光子の一実施形態である。円偏光４０は、光学レンズ４４の凸面４６にわたってビームスプリッタ反射コーティング４８で、かつ、光学レンズ４４にわたって、少なくとも部分的に屈折される。屈折された円偏光５０の少なくとも一部（例えば、ほぼ全部ではなくても大部分）は、光学レンズ４４の凹面５４における凹状の円偏光反射体５２の表面で内面反射される。反射された円偏光５６の少なくとも一部は、凸面４６におけるビームスプリッタ反射コーティング４８で内面反射される。これによって当該円偏光とは逆の円偏光のビーム５８が形成されて、これにより逆の円偏光のビーム５８が円偏光反射体５２の表面を透過することになる。そのため、円偏光反射体５２が１／４波長板と直線偏光反射体との組合せである場合には直線偏光６０を形成する。この場合、当該光は、次に、吸収直線偏光体５５を通過する。変形例として、円偏光子５２がＣＬＣである場合には、凹面５４から放出される光が円偏光になる。この場合には板５５が１／４波長板とされて、その光が当該１／４波長板を通過することによって直線偏光になる。光学レンズ４４の凸面４６での屈折と凹面５４での反射との組合せが、表示源４２の画像をコリメート及び拡大させる。

特定の一実施形態では、非偏光光源３９からの非偏光が直線偏光フィルタ４１によって偏光された後、当該偏光が１／４波長板４３によって円偏光にされてから凸面４６のコーティング４８で少なくとも部分的に屈折される。円偏光４０は、光学レンズ４４の凸面４６にわたってビームスプリッタ反射コーティング４８で、かつ、光学レンズ４４にわたって、少なくとも部分的に屈折される。屈折された円偏光５０の少なくとも一部（すなわち、ほぼ全部ではなくても大部分）は、光学レンズ４４の凹面５４における凹状の円偏光反射体５２の表面で内面反射される。反射された円偏光５６の少なくとも一部は、凸面４６においてビームスプリッタ反射コーティング４８で内面反射される。これによって当該円偏光とは逆の円偏光のビーム５８が形成されて、これにより逆の円偏光のビーム５８が円偏光反射体５２を透過することになる。光学レンズ４４の凸面４６での屈折と凹面５４での反射との組合せが、表示源４２の画像をコリメート及び拡大させる。

図３は、本発明にかかる反射型コリメート接眼レンズの他の実施形態である。図３に示すように、反射型コリメート接眼レンズ７０は、複レンズである光学レンズ（複合光学レンズ）７２を備える。複合光学レンズ７２は、第１の部片７４および第２の部片７６を含む。各部片は、他方の部片と接する平坦面７８，８０を有する。この構成は、例えば、湾曲面８２及び湾曲面８４のうちの少なくとも一方が非球面である場合などに、第１の部片７４の凸面８２及び第２の部片７６の凹面８４がそれぞれ別体の部材として作製されることを可能にするという利点を有する。

一実施形態では、レンズ部片７４，７６間の平坦面７８と平坦面８０との間に１／４波長板８６が介在されている。１／４波長板８６は、ビームスプリッタ反射コーティング８８を通過し、その前にビームスプリッタ反射コーティング８８により回折された円偏光を、湾曲状の直線偏光子８７から凹面８４で反射されることになる直線偏光に変換する。湾曲状の直線偏光子８７から凹面８４で反射された直線偏光は、１／４波長板８６で円偏光に変換された後、ビームスプリッタ反射コーティング８８で部分的に反射される。ビームスプリッタ反射コーティング８８では、当該光のうちの反射された部分が逆方向の左右像の偏光（opposite handedness）に変換される。そして、ビームスプリッタ反射コーティング８８からのこの逆方向の左右像の偏光である反射光は、１／４波長板８６で直線偏光に変換されて、凹面８４で直線偏光子８７をほぼ（すなわち、本質的に完全に）透過する。この実施形態は例えば、扁平な１／４波長板を構造内部に使用可能とすることで反射型接眼レンズの製造が容易になるという利点を有する。凸面８２には、ビームスプリッタ反射コーティング８８がある。

反射型コリメート接眼レンズ７０のユーザの眼９２と接眼レンズ７０の湾曲状の反射面１１６との間には、吸収直線偏光体９０が配置されている。吸収直線偏光体９０が存在しているため、眼９２からの光が凹面８４で反射してユーザに見えることがない。

他の実施形態において、本発明は、図４に概略的に示すように表示源１０２から円偏光を放射する過程を備える、拡大された画像を形成する方法である。表示源１０２からの円偏光１００は、ビームスプリッタ反射コーティング１０６の凸面１０４にわたって、かつ、光学レンズ１０８にわたって、少なくとも部分的に屈折される。次に、屈折された円偏光は、複合光学レンズ１０８の第１のレンズ部片１１２と第２のレンズ部片１１４の間の１／４波長板１１０によって屈折されることにより、直線偏光を形成する。屈折された直線偏光は、ほぼ全部ではなくても大部分がレンズ１０８の凹状の偏光反射体１１６の表面で内面反射されて、反射された直線偏光を形成する。反射された直線偏光は、１／４波長板１１０を通過することによって円偏光を形成し、凸面１０４において当該円偏光がビームスプリッタ反射コーティング１０６で少なくとも部分的に内面反射される。これにより、当該円偏光とは逆の円偏光のビームが形成される。当該ビームが１／４波長板１１０を通過することにより、逆の円偏光の当該ビームは、凹状の反射面１１６及びその後に吸収偏光体９０を透過することになる直線偏光に変換させられる。前記レンズの前記凸面での屈折及び凹面での反射と前記１／４波長板（あるいは、フィルム）での透過との組合せが、前記表示源の画像をコリメート及び拡大させる。一実施形態では、吸収直線偏光体９０があるため、ユーザの眼からの光が前記接眼レンズの凹面１１６で反射してその眼１１８で見えることはほぼない。

また、凹面に前記ビームスプリッタコーティングを備え、凸面に前記偏光反射体を備えた接眼レンズを構築することも可能である。この場合には、前記ビームスプリッタコーティングからの最初の透過を除去するために、眼と接眼レンズとの間に反射偏光子と１／４波長板との組合せが配置される必要がある。

本明細書で引用したどの参考文献の関連部分も、全体を参照をもって本明細書に取り入れたものとする。

本発明を本発明の例的な実施形態を参照しながら具体的に図示・説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく形態や細部に様々な変更が施されてもよいことを理解するであろう。

Claims (17)

1. 反射型のコリメート接眼レンズであって、
   ａ）光学レンズであって、
   ｉ）凹面、および
   ｉｉ）前記凹面と反対側にある凸面を有する、光学レンズと、
   ｂ）前記凸面におけるビームスプリッタ反射コーティングと、
   ｃ）前記光学レンズにおける円偏光反射体であって、円偏光光源からの円偏光が、前記ビームスプリッタ反射コーティングで屈折されて当該円偏光反射体で反射された後、当該円偏光反射体を通過することになる逆の円偏光のビームを形成するように、前記ビームスプリッタ反射コーティングで反射され、これにより、前記円偏光光源の画像をコリメート及び拡大する、円偏光反射体と、
   を備えるコリメート接眼レンズ。
2. 請求項１に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記光学レンズが単レンズである、コリメート接眼レンズ。
3. 請求項２に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記円偏光反射体が、１／４波長板と直線偏光反射体の組合せを含む、コリメート接眼レンズ。
4. 請求項３に記載のコリメート接眼レンズにおいて、さらに、
   前記凹面に近接した吸収直線偏光体、
   を備え、前記光学レンズから前記凹面で放出された光が、前記吸収直線偏光体を通過させられる、コリメート接眼レンズ。
5. 請求項２に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記円偏光反射体が、コレステリック液晶フィルムを含む、コリメート接眼レンズ。
6. 請求項１に記載のコリメート接眼レンズにおいて、さらに、
   前記反射コーティングに対向する表示源であって、当該表示源が、主に円偏光である光を前記ビームスプリッタ反射コーティングに向けて送り出す表示源
   を備えるコリメート接眼レンズ。
7. 請求項６に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記表示源が、
   非偏光光源、
   当該非偏光光源と前記ビームスプリッタ反射コーティングの間の偏光フィルタ、および
   当該偏光フィルタと前記ビームスプリッタ反射コーティングの間の１／４波長板を含み、
   前記表示源により放射された非偏光が前記偏光子および１／４波長板によって偏光されることにより、前記ビームスプリッタ反射コーティングは、前記表示源から円偏光を受ける、コリメート接眼レンズ。
8. 請求項１に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記光学レンズが、前記凸面を画定する第１の部片および前記凹面を画定する第２の部片を含む複レンズであり、前記第１および前記第２の部片が一体となって前記凸面と前記凹面の間の平面状界面を画定している、コリメート接眼レンズ。
9. 請求項８に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記凹面と前記凸面の少なくとも一方が非球面である、コリメート接眼レンズ。
10. 請求項９に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記円偏光反射体が、前記第１の部片と前記第２の部片の間の前記界面において１／４波長板を含み、かつ、前記凹面において直線偏光反射体を含む、コリメート接眼レンズ。
11. 請求項９に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記凸面と前記凹面の少なくとも一方が非球面である、コリメート接眼レンズ。
12. 請求項１に記載のコリメート接眼レンズにおいて、さらに、
    前記凹面において吸収偏光体、
    を備え、前記吸収偏光体は、前記画像を見ている眼からの光の当該コリメート接眼レンズの前記円偏光反射体の表面からの反射を低減する、コリメート接眼レンズ。
13. 請求項１に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記円偏光反射体が、前記凹面に適合している、コリメート接眼レンズ。
14. 請求項１３に記載のコリメート接眼レンズにおいて、前記円偏光反射体が、コレステリック液晶フィルム、１／４波長板とワイヤグリッド偏光子の組合せ、および１／４波長板フィルムと直線偏光反射体の組合せからなる群から選択された少なくとも１つを含む、コリメート接眼レンズ。
15. 反射型のコリメート接眼レンズであって、
    ａ）光学レンズであって、
    ｉ）凹面、および
    ｉｉ）前記凹面と反対側にある凸面を有する、光学レンズと、
    ｂ）前記凸面におけるビームスプリッタ反射コーティングと、
    ｃ）前記凹面における円偏光反射体であって、円偏光光源からの円偏光が、前記ビームスプリッタ反射コーティングで屈折されて当該円偏光反射体で反射された後、前記円偏光反射体を通過することになる逆の円偏光のビームを形成するように、前記ビームスプリッタ反射コーティングで反射され、これにより、前記表示源の画像をコリメート及び拡大する、円偏光反射体と、
    ｄ）前記ビームスプリッタ反射コーティングに対向する表示源であって、当該表示源が、主に円偏光である光を前記ビームスプリッタ反射コーティングに向けて送り出す表示源と
    を備えるコリメート接眼レンズ。
16. 反射型のコリメート接眼レンズであって、
    ａ）光学レンズであって、
    ｉ）凸面を画定する第１の部片、および
    ｉｉ）凹面を画定する第２の部片を含み、前記第１および第２の部片が一体となって前記凸面と前記凹面の間の界面を画定している、光学レンズと、
    ｂ）前記第１の部片と前記第２の部片の間の前記界面における１／４波長板と、
    ｃ）前記凸面におけるビームスプリッタコーティングと、
    ｄ）前記光学レンズにおける円偏光反射体であって、円偏光光源からの円偏光が、前記ビームスプリッタ反射コーティングで屈折されて当該円偏光反射体で反射された後、当該円偏光反射体を通過することになる逆の円偏光のビームを形成するように、前記ビームスプリッタ反射コーティングで反射され、これにより、前記円偏光光源の画像をコリメート及び拡大する、円偏光反射体と
    を備えるコリメート接眼レンズ。
17. 拡大された画像を形成する方法であって、
    ａ）円偏光光源から円偏光を放射する過程と、
    ｂ）前記円偏光を、ビームスプリッタ反射コーティングの凸面にわたって、かつ、光学レンズにわたって、少なくとも部分的に屈折させる過程と、
    ｃ）屈折された前記円偏光を、前記光学レンズの凹状の円偏光反射体で少なくとも部分的に内面反射させる過程と、
    ｄ）反射された前記円偏光を、前記凸面における前記ビームスプリッタ反射コーティングで少なくとも部分的に内面反射させる過程であって、前記円偏光とは逆の円偏光のビームが形成され、これにより、逆の円偏光の当該ビームが前記円偏光反射体を通過させられ、前記円偏光光源の画像をコリメート及び拡大する、過程と
    を備える方法。

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